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本 科 毕 业 论文 文 献 翻 译 毕业论文题目：激光喷丸系统运动控制软件编制及喷丸改性实验 学生姓名： 学 号： 系 别： 专业班级：机械设计制造及其自动化 基于温激光喷丸中动态应变时效和动态析出的 疲劳行为的改进 *a 摘要 ： 温 激光冲击强化处理技术是一种 热机械处理，结合激光冲击强化 和动态应变时效强化 优点的 技术 。 通过 动态时效 ， 碳原子滑移位错的钉接 ， 温激光喷丸提高了钢的位错密度和 位错排布 结构 的稳定性 。 此外 , 导析出，产生纳米 级碳化物析出 。 这种析出物 由于 位错钉接而 有稳定 的 微观结构 ， 这使钢具有 更高的 位错结构 稳定性 ,提高了结构 残余 压应力 的稳定性 。通过本研究 , 对140钢 进行 究 ， 在研究中对 疲劳性能 机 理 改进， 发现 形成 的微 结构经过 有 更 高的错位结构 稳定性 和残余应力 稳定性 ， 提高 疲劳性能 十分有益 。 关键字 ： 激光温喷丸； 态应变时效；动态析出；碳化物 1. 引言 作为一种 先进 的表面处理技术 ， 激光喷丸 技术 (成功用于改善金属零件 的疲劳性能 1 。 通过 在材料表面 产生加工硬化层 和 残余 压 应力 ，裂纹的产生和传播在循环载荷下 减慢 ,从而提高 疲劳性能 。 来 改善表面硬度、疲劳性能、耐蚀性和耐磨性 的有效方法 2 。 钢被广泛应用于工业中， 关于 钢的 泛的 研究 。例如 ,43对 04钢在 滚轧 ( ， 比较了近表面微结构变化和 疲劳寿命 的提高 。 5 对 045钢 利用 进行了实验验证。 6 比较了哈德菲尔德锰钢在 械喷丸（ 种条件下的微观结构，硬度和残余应力 。在 由于一个高密度 然而 , 表面处理技术 ( 残余 压 应力 的 产生 在循环荷载作用下不稳定 87 , 特别是在高温 下 不稳定 10943 。 例如 ,11 等人对 残余 压 应力和表面纳米 晶粒 的热稳定性进行了研究，对 究。 观 察到完整的残余应力在 5500 释放，由于 近表面的微观结构 热不稳定 性 。 以这种方式 ,用 劳寿 命 ,还是有局限性的 。 动态应变时效 ( 构 的 稳定性。 1312中， 扩散的 C(碳 )和 N(氮气 )原子 在 150 300 围内 ，在 位错 核周围弥散分布 ,这 对于钢来说是一个重要的强化 机理 14 。 在 溶 质原子 的 相互 作用导致了重复的位错钉接 ,从而 改善了 加工硬化 1513 。 在 ， 溶质原子 (碳和氮 )滑移 到 位错核心 ，在钢中形成 16 ， 在塑性 变形中 产生 钉接作用 和抑制位错 运动 。 由于连续的 塑性变形 ,新的 滑移 位错必然产生。 这导致位错的增加 和 一个较高的位错密度和更均匀位错分布 。 这在钢的实验中得到了利用 ， 例如 ,17 改善了 下 塑性 变形 的疲劳性能 。18 ， 在 210钢 的 疲劳性能 ,并 确定了 能最大程度提高疲劳寿命的 最佳温度 (335 。 19 在室温和3000C 下 分别 对 劳性 能 的 比较，发现 在 300 环荷载作用下 具有 更好的疲劳性能 ， 这是 化物 析 出 共同作用的结果 。 在热变形下的 动态析出也是如此 ， 称为 动态析出不同于静态 析出 ,前者产生了纳米级析出物。 动态析出变形产生的位错作为产生动态析出物的形核点 。与 静态析出比较，动态 析出效率 提高 ，在短时间内达到峰值硬度。 研究了动态析出对合金钢热流行为的影响 ，结果表明 ， 由于动态析出的高峰钉接 强度 导致在热变形中流动 曲线 的高峰 。经过研究 ， 高密 度的位错 可以对动态析出 提供许多潜在的成核点 。 因此 ， 通过 率 。 出了 一个形核机理 来解释 在 密集 析出 ,发现在 高应变速率 变形下的位错 和变形后 的 高温是最重要的两个因素。 通过实验验证了该 模型 。 表面处理技术的性能 ,包括 P， 改善了 15 ， 在室温 和 260 下， 比较了 140钢的 结果表明 ， 大大增加了核心硬度 ， 也形成 了一个更加稳定的 位错结构 ,从而 疲劳性能 得到 提高。 25 对在室温下弹簧钢的 机械 喷丸 和 在 不同温度 (1000C ,2000C ,3000C 和 4000C )进行了比较 。 发现 度 (200 时能 提高了 近表面 残余压应力和硬度 ， 这是因为高温时应力流的减少。 此外还 发现 , 由于在处理温度高于 2000C 时 ， 余压应力减少了 。虽然它不是 25 提到 的在 200 下硬度的增加 ，但 也可以部分地归因于 到更大的位错密度，更好的加工硬化 。 26 ,140钢进行 温 机械喷丸 ， 论证 了 3000C 左右 )提高了残余应力的 稳定性 和 更高 的疲劳性能。26 教授 发现 在温 静态和动态应变强化 后 的试样， 有着 一个较高的表面硬度。此外 ,强化 形成高密度结构和更均匀的位错分布 , 在循环载荷 下 具有 更高的 残余应力 稳定性 。 作为 一个先进 的表面处理技术 用 1500C - 300 下处理钢 。 因此 ,这有利于 研究 理 温 度的影响 。 在以前的研究中， 我们发现 , 在 061合金通过位错钉接形成一个高密度的，通过动态生成纳米级 析出 物 ，温表面激光冲击强化 (显著提高残余 压 应力的稳定性 。 在这研究中，对 劳性能的影响进行了研究。 2、实验 料 试样是从 其 化学成分 为 余是 有 %)。试样尺寸 是 0 *在 样 经过加热 20分钟 的 8500C 奥氏体化，然后用 油淬火到250C ，然后 4500C 回火 2小时 ，接着 在真空炉 中冷却 。 这个过程导致不锈钢 中含有维氏硬度 (图 4)和回火 马氏体组织 的微光结构 。 图 1 激光喷丸原理图 激光冲击强化实验 所示，用 在这种情况下 , 由于水的低沸 点 ，不能作 为约束层 。 在实验 中 ,使用 硅油 (710型 )， 由于它 (3000C )相对于水的高沸点，可以作为约束层 。 薄铝箔作为一种新的涂层 材料来保护 材料 ，防止其从表面融化， 工作温度为 温度计用于测量试样的 温度，激光使用 1毫米大小，搭接 率为 75%，做进一步 e 28 等人的论文中有描述。 能 观硬度 硬度变化的试样 使用 400200克载荷和十秒加载 时间， 取五次测量的平均值作为每个数值点 。 余应力 用 8射仪 是用来测量试样的残余应力 。 这里 对应一个 2 应力状态 ， 2 2 0 高峰 用于应力分析 。在 11 角 从 + 500 使用 1辐射并用 2 的方法进行分析 ，画出钢的相变曲线 。 对 半最大值宽度 )积分的值在 除 去 2 2 0 峰 值 设置 90，作为衡量相对错位密度 ， 或加工硬化率。 为了测量中心残余应力，材料用电解抛光机 逐层去掉去除 。电解抛 光媒介 是限公司的 溶质 为了研究 残余压应力的热稳定性， 将 样品放在中，退火后 进行残余应力的测量。 通过测量不同循环载荷下的残余应力来测量残余压应力的循环稳定性。 00 聚焦离子 (升式方法， 工作电源为 300 劳测试 使用 100 制的是载荷模型 。载荷是一个频率为 5赫兹的频率正弦波。 3、 结果与讨论 在温激光冲击强化工艺条件下的情况 光加工条件 激光强度中最重要的参数之 一 是 激光功率密度，因为激光功率密度控制冲击压力 。 在这个研究中 与水相比 冲击阻抗 高的多。根据 光冲击压力能的估计 值 是 ：)/()/(32 202 = ,其中 是吸收的那部分能量给等离子体的能量。 在本研究中 ,激光功率范围 从 4以 增量 。 受限制的介质（ 激光功率为 上破裂。测量激光功率为 残余应力。 不同激光功率密度下的等离子体压力峰值也根据 中画出 。 对于 据发现残余应力的大小 几乎随激光能量 呈线性增加。 此外 , 对于 500C )的残余应力大小与所有的激光 强度很接近。 对于在4 应力 大小 达到 500而对于疲劳性能来说高的残余压 应力是有好处 , 在接下来的研究中激光功率 定为 4根据23 ,在高温下 产生 残余 应力 (560大小远低于室温(260生的 。 值得一提的是 应力的大小 很接近 , 残余应力的大小 没有减少 。 然而 ,更重要的是 余应力比较稳定。 图 2 250 在不同激光功率下的残余应力及等离子波压力峰值 图 3 不同温度下的 光能量为 4 2 残余 压 应力大小和硬度 的 提高， 对于 温度 是必要的 。 根据 27 用 温 得出最佳机械喷丸 温度 为3000C 。考虑 碳钢 温度 在 1500C 和 3000C 之间，在实验中温度 从 1000500C 之间 ，增量 为 500C 。 发现在所有的温度下 硬度 有所提高 (见图 3)。所有低于 3000C 的实验 ， 硬度 随着温度 升高而 增大。 这是因为温度的升高导致 溶质原子 更高的移动性和 更有效的 与在 2500C (416 3000C (418的硬度非常接近。 在 3500C 时 硬度 是 下降 的 ,这可能是由于两方面的原 因 :(1)3500C 高于 4140钢 2) 动态回复引起的热释放 。以 2500C 作为 得到 了 最大的加强效果 ,并避免动态恢复 ,在不同的激光功率 下 温 )和 500C )残余应力的大小很 接 近(图 2)。 图 4 淬回火 4140钢的未喷丸初始结构图（ a）残留板条状马氏体（ b） 微观 结构 在很大程度上影响材料的性能 ， 所以微观结构很重要。 调制中 最初的微观 结构中有板条状 马氏体 (图 4 a)和少量的板条状析出物 ( 图 4 b)。料的微观结构 而提高材料的 性能。对 微观组织 进行了对比分析来确定 织 (图 5)可以看出 可以观察到在 和层 状错位边界（图 5 b和 c)。这些 位错堆积也被称为剪切带 ， 剪切带是在金属材料承受高应变率变形时形成的 。 可以观察到少有错位 堆积，但是位错纠缠更多 (图 6),这 比 稳定 。这就是 位从而形成更多的位错纠缠 。 塑性变形继续 ，会产生新的位错运动 。 在 4140钢 溶质原子 特别是二氧化碳原子 , 在高温塑性变形中扩散的速度太快而形成一个 受钉接作用的位错脱离 就导致其他位错源的活跃，产 生新的运动位错。 图 5 光能量是 4 2-/室温） 图 6 样不同放大倍数下的微观结构 图 7为 对错位深度剖面密度 。 结果表明与 这是另一个在 图 7 4 2-/室温）和 4 2-/250 深度方向的位错密度 热辅助 塑性变形过程中，伴随碳原子高度集中的位错核产生，这些位错核很有可能是碳化物析出物的形核点 。 这些碳化物在循环加载下阻碍位错运动 ，这将提高位错和残余压应力的稳定性。 观组织 如图 8所示， 在图 8 a和 出物的数量在亚晶界 附近 ,有些则在亚晶界 中 。 这是由于高碳原子在亚晶界 边界附近，图 8所示是一个高倍镜下的析出的 图 8 室温 光能量 4 2-/250 （ a）箭头所指的在亚晶界附近的析出物（ b）在亚晶界里析出物密度低（ c）高放大倍数下析出物与 在 核密度高 ，因为在应力变形时不断上升的温度提高了形核 速率，在 沉淀 强烈 的聚集并产生 变形。 此外 ,个较高的 位错 密度 ， 纳米级碳化物析出物形核点更多 。 如 图 9所示 ，是 在 在高处理温度 (250 下碳 原子运动的速度比在室温下更快。通过扩散、众多碳原子迁移到位错核心 ,这导致 了 碳 化物形成的成核点 。因此 ,变形而形成的位错中心 增加了 碳化物 析出 。 由于 与 导致了高度位错和析出，如图 9所示。 由于错位密度高 ,一 些纳米 级析出 在图 9中不能清楚地观察到。然而在图 9以清楚的看到纳米 级析出 的存在 ， 注意两个相邻颗粒 (图 9 a)的衍射模式 (图 9 b)。 暗的斑点之间的点是由于碳化物 析出产生 的 (623从 试样 (4b),析出物 ( 在于淬火和回火的材料中。 在 些 析出物 (图 9 c)。然而 , 623与 最初的析出物 形状不同的， 如图 9所示 。 相反 , 在 多球形 析出物很容易观察。除了一些大的析出物，大部分的球形析出物 直径在 10 相比在 这些在 些高密度球状析出物 的存在将在循环荷载作用下阻碍位错运动 ， 最终将增加位错的稳定性。 图 9 样的微观结构图（激光能量 4 2-/250 （ a）主要衍射点的黑色区 域图表示的是位错纠缠 和析出物基体 （ b） 和衍射点 1 1 0方向的衍射图（ c）亮色区域的条状析出物和球状析出物（ d）和析出物相关的衍射点的黑区图表示的是 球状析出物 面纳米结构 图 10a， 0 的晶粒结构 。可以看到无论是 10)还是 10 b)试样 都是纳米晶相表面 。根据+= ,其中是起始 屈服应力 ,粒大小 、材料的结构强度随着 粒度 直径的减小而提高 。 而多数的裂缝是从表面 成形的 ,表面晶粒 的提纯和强度的提高改善无疑改善了疲劳性能。 不同激光功率下 进行 了 比较，如图 11所示。研究发现在不同的激光功率 中 这是由于通过高 位错 密 度 (图 7)和碳化物的析出 (图 9),两者都导致表面硬度 提高 。对 率 同为 4的硬度进行比较，如图 12，可以看出 19增加到 39017趣的是 ， 个硬度峰 (443表面 下 300 右 ， 而 样的峰值 。 图 10 ）和 ）上表面纳米结构的 图 11 不同激光能量下 250 的上表面硬度 图 12 这表明 在 工硬化效应也会降低 。这是符合位错密度的表面深度 的 ，如图 7所示。因此 , 于 个更高 的位错密度和溶质原子的位错钉接 。位错的提高导致产生抑制 位错移动的结构 ,阻碍位错滑移 。 此外 , 在 致碳化物析出物 结构 。 析出物 的形成还会导致位错钉接 的更高的强度 。位错钉扎通过位错阻碍和析出物 在塑性变形中 增加了位错滑移。 因此 , 很有意思的一点是 , 在 料硬度通过位错密度的增加而增加 (加工硬化和 及析出物的硬化 (动态沉淀 )。对于位错密度，随着位错密度而增加是很明显的， 然而 ，对于析出 硬化 而言，析出物 的大小和体积影响硬化效果。 要 想获得对位错运动的最佳钉接作用，析出物 大小有一临界值 。 在 下表面 硬度峰值 由 析出 硬化 决定。物质上表面的位错 密度是最高 的，这是 在这种方式下 , 高密度纳米析出物 生成。然而 ,由于 少于 10分钟 )， 在他们争夺碳原子时析出物 不能正常长大。 这可能导致大的析出 ,对位错钉扎更有效，进一步的研究 需要证实这一点。 复杂加工硬化的相互作用， 艺条件 (激光强度 ,温度等 )和初始材料条件 (热处理的时间 )在这方面起着重要的作用。 但是 ,优化这些参数超出了本研究 的范围。 余应力 分布 如图 13所示。 在上表面 ,在 下表面 100 例如，在 表面 50 应力的 大小分别为 315和 46550 域的残余应力 非常接 近。通过 更高的温度会减少流动应力 ， 从而导致塑性变形的增加。 然而 ， 高的处理温度也可以通过动态恢复导致残余应力松弛 。 降低的应力流和残余应力释放的共同作用 形成了度方向分布 ，如图 13。 表面残余应力的热稳定性和循环稳定性 残余压应力的稳定性 和大小一样重要。 许多元件和用于 提高工作温度的构件 ,需要通过 不同时间退火温度350 如图 14所示。可以 清楚地看出 例如 ,， 00分钟后残余压应力从 对应减少了 37%,而 图 13 度方向残余应力分布 残余应力测量误差是 30图 14 （ a） 样不同时间的 350 火后残余应力释放（ b）最大应力 1000循环载荷下的残余应力释放。残余应力测试误差是 30余 压应力的循环稳定性也是很重要的 ,因为它决定了疲劳性能的改进的有效性。对于 余 应力 比较如图 14 图 14 例如 ,在1余 应力 减少了 而 少 这表示 高的循环稳定性。 高的稳定性 ，残余压应力降低裂纹扩展速度比 经过 残余应力的 循环稳定性 及热稳定性 与材料微观结构 有关 。 在热退火 350 4140钢的屈服应力没有显著减小 ， 通过减少屈服应力排除 残余应力松弛的可能性。 在 350 火下位错热滑 移 导致应力松弛， 此外 ,在同时 ,在 化物析出物 密度 。 钉扎效应和碳化物析 出 有效的抑制了位错移动 ,有助于在热退火和循环加载 的稳定性。 稳定性和 循环稳定性。 劳性能 像其他表面处理技 术 (R)， 对于高循环体比低循环体更加有效 。 在不同加工条件 下 进行弯曲疲劳测试 ， 应力寿命（ S N） 曲线如图 15所示，在 在一定的应力大小 (1200和 1500外 ,但 图 15中加工试样 ,75， 1200 过表面硬化 提高疲劳行为 和 残余 压 应力 (减少裂纹扩展速度 )。 除了 更高的位错密度和 比 和较高的析出密度 ，得到了 更高的残余应力稳定性。与 过碳原子和碳化物析出的钉接作用 而具有更稳定的结构状态。 通过 错排布， 更高的稳定 性 导致应力幅值的增加 ，诱导新位错 的移动 。 同时 ， 抗裂纹萌生 通过表面硬度的提高和裂纹扩展速率的减少，具有更加稳定 的 残余压应力。因此 , 在室温条件下与 疲劳特性 。 图 15 传统加工试样和激光喷丸试样的 结论 在这篇文章中研究 了在 表面 残余 压 应 力 提高了材料的疲劳性能 。 在 且， 种析出物抑制了循环载荷下的位错运动 。 就使得 疲劳性能 。 此外 , 生的残余应力的 热稳定 性高于 明了 优势 。 参考文献 1 998;14:377. 2 S, , , , 2002;24:1021. 3 . 004;50:1345. 4 . 007;465:176. 5 , . 008;202:1517. 6 P, M, , V, E. 995;26:1507. 7 R. in 4. 34965. 8 . 006;426:4. 9 W. 8on 2002. p. 13. 10 , . 006;55:1111. 11 , A, , K, O. 003;48:1593. 12 J. 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